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Pila de combustible de óxido sólido

Una pila de combustible de óxido sólido (o SOFC, solid oxide fuel cell) es un dispositivo de conversión electroquímico que produce electricidad  directamente de oxidar un combustible. Las pilas de combustible están caracterizadas por el material del electrólito; el SOFC tiene un óxido sólido o electrólito cerámico.

Esquema de una pila de combustible de óxido sólido

Las ventajas de esta clase de pilas de combustible son la alta eficacia, estabilidad a largo plazo, flexibilidad de combustible, emisiones bajas, y relativo bajo coste. La desventaja más grande es la alta temperatura operativa qué requiere tiempos de inicio más prolongados y posibles problemas de compatibilidad mecánica y química.[1]

Introducción

Las pilas de combustible de óxido sólido son una clase de células de combustible que se caracterizan por el uso de un material de óxido sólido como  electrólito. Las SOFC utilizan un electrólito de óxido sólido para conducir iones de oxígeno negativo del cátodo al ánodo. La oxidación electroquímica de los iones de oxígeno con hidrógeno o monóxido de carbono así ocurre en el lado del ánodo. Más recientemente, se están desarrollando las SOFCs de conducción de protones (PC-SOFC) que transportan protones en vez de iones de oxígeno a través del electrólito con la ventaja de ser capaces de funcionar a temperaturas más bajas que las SOFCs tradicionales .

Operan a temperaturas muy altas, típicamente entre 500 y 1,000 °C. En estas temperaturas, las SOFCs no necesitan material catalizador de platino que es caro, que actualmente es necesario para células de combustible de temperatura inferior como PEMFCs, y no es vulnerable al tóxico monóxido de carbono. Aun así, la vulnerabilidad a envenenamiento por azufre ha sido ampliamente observado y el azufre tiene que ser eliminado antes de la puesta en producción.

Las pilas de combustible de óxido sólido tienen una gran variedad de aplicaciones, de utilizar como unidades de potencia auxiliar en vehículos a unidades de generación estacionarias con potencias de 100 W a 2 MW. La temperatura operativa más alta de las SOFCs las hace candidatos adecuados para aplicaciones de recuperación de energía con dispositivos de motor de calor o dispositivos combinados de potencia y calor, que aumenta el rendimiento global del combustible.

Debido a las altas temperaturas, los combustibles de hidrocarburo ligero, como metano, propano, y butano pueden ser internamente reformado dentro del ánodo. SOFCs También puede ser alimentados por hidrocarburos más pesados, como gasolina, diésel, combustible de jet (JP-8) o biocombustibles. Tales transformados son mezclas de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor y metano, formados para reaccionar los combustibles de hidrocarburo con aire o vapor en un dispositivo upstream del ánodo. Los sistemas SOFC de potencia pueden aumentar el rendimiento al utilizar el calor emitido para la oxidación electroquímica exotérmica dentro de la pila de combustible para el vapor endotérmico que transforma el proceso. Además, los combustibles sólidos como carbón y biomasa pueden ser gasificados para formar Gas de síntesis que es adecuado para alimentar SOFCs en pila de combustible de ciclos de potencia por gasificación integrada.

La expansión térmica requiere un proceso de calentamiento uniforme y bien regulado al inicio. Los stacks SOFC con geometría planar requieren del orden de una hora para ser calentadas a  temperatura de encendido.[2][3]

Geometría

 
SOFC tubular

A diferencia de la mayoría de otros tipos de pilas de combustible, las SOFCs puede tener geometrías múltiples. El diseño de geometría planar es la geometría de tipo de emparedado típica empleado por más tipos de células de combustible, donde el electrólito está empaquetado entre los electrodos. Las SOFCs también pueden estar hechas con geometrías tubulares donde cualquier aire o el combustible se pasa a través del interior del tubo y el otro gas circula a lo largo del exterior del tubo. El diseño tubular es ventajoso porque es mucho más fácil de sellar el aire respecto del combustible. El rendimiento del diseño planar es actualmente mejor que el rendimiento del diseño tubular, aun así, el diseño planar tiene una resistencia más baja comparativamente. Otras geometrías de SOFCs incluyen diseños de geometría planar modificada (MPC o MPSOFC), donde una estructura de tipo onda reemplaza la configuración plana tradicional de la célula planar. Tales diseños altamente son prometedores porque comparten las ventajas de ambos, células planares (resistencia baja) y células tubulares.

Funcionamiento

 
Sección transversal de tres capas cerámicas de una SOFC tubular. Del interior al exterior: cátodo poroso, electrolito denso, ánodo poroso

Una pila de combustible de óxido sólido se compone de cuatro capas, tres de las cuales son cerámicas (de ahí el nombre). Una sola pila que consiste en cuatro capas apiladas juntas es típicamente de unos pocos milímetros de espesor. Cientos de estas pilas o celdas se conectan en serie para formar lo que la mayoría de la gente denomina "pila de SOFC". Las cerámicas utilizadas en las SOFC no se vuelven eléctricamente e iónicamente activas hasta que alcanzan una temperatura muy alta y, como consecuencia, las pilas deben funcionar a temperaturas que oscilan entre 500 y 1.000 ° C. La reducción de oxígeno en iones de oxígeno se produce en el cátodo. Estos iones pueden luego difundirse a través del electrolito de óxido sólido hasta el ánodo, donde pueden oxidar electroquímicamente el combustible. En esta reacción, se emite un subproducto del agua y dos electrones. Estos electrones luego fluyen a través de un circuito externo donde pueden trabajar. El ciclo se repite a medida que esos electrones ingresan nuevamente en el material del cátodo.

Ánodo

La capa de ánodo cerámica tiene que ser muy porosa para dejar fluir el combustible hacia el electrólito. De este modo, el material granular es utilizado a menudo para la fabricación de ánodos. Y como el cátodo debe conducir electrones, la conductividad iónica es una ventaja definitiva. El material más común es el cermet, mezcla de níquel y material cerámico, utilizado para el electrólito, típicamente YSZ (zirconio estabilizado con itrio) catalizador basado en nanomaterial. Este elemento YSZ, ayuda a parar el crecimiento de granos de níquel. Los gránulos más grandes de níquel reducirían el área de contacto para que los iones puedan ser conducidos, lo que reduciría la eficiencia de las pilas. El ánodo es generalmente la capa más gruesa y más fuerte en cada célula individual, porque tiene las pérdidas de polarización más pequeñas, y a menudo es la capa que proporciona el soporte mecánico. Electroquímicamente hablando, el trabajo del ánodo es utilizar los iones de oxígeno que se difunden a través del electrólito para oxidar el combustible de hidrógeno.

La reacción de oxidación entre los iones de oxígeno y el hidrógeno produce calor, agua y electricidad. Si el combustible es un hidrocarburo ligero, por ejemplo metano, otra función del ánodo es actuar como catalizador para el vapor que transforma el combustible en hidrógeno. Esto proporciona otro beneficio operacional a la pila de combustible porque la reacción transformadora es endotérmica, lo que enfría la pila internamente. Los materiales con perovskita (mezcla de iónes/cerámica electrónica conductora) han demostrado producir una densidad de potencia de 0.6 W/cm2 a 0.7 V y 800 °C, lo cuál es posible porque tienen la capacidad de vencer una energía de activación más grande.[4]

Electrólito

El electrólito es una densa capa de cerámica que conduce iones de oxígeno. Su conductividad electrónica tiene que ser mantenida tan baja como sea posible para impedir pérdidas por corrientes indeseadas. Las altas temperaturas operativas de las SOFCs permiten que la cinética del transporte de ión de oxígeno sea suficiente para un buen rendimiento. Aun así, cuando la temperatura operativa se acerca el límite más bajo, alrededor 600 °C, el electrólito empieza para tener resistencias de transporte iónicas grandes y afecta el rendimiento. Materiales populares para el electrólito incluyen el zirconio estabilizado con itrio (YSZ) (a menudo al 8%, forma 8YSZ), zirconio estabilizado con scandio (ScSZ) (normalmente 9 mol%Sc2O3 @– 9ScSZ) y el cerio dopado con gadolinio (GDC).[5]​ El material de electrólito tiene una influencia crucial en los rendimientos de la célula.[6]​ Se han observado reacciones perjudiciales entre electrólitos YSZ y cátodos modernos como cobaltoferrita de lantano y estroncio (LSCF), que se pueden impedir con barreras de difusión de cerio delgado (<100 nm).

Si la conductividad para iones de oxígeno en SOFC puede permanecer alta incluso en temperaturas más bajas (objetivo actual búscado ~500 °C), la elección de materiales para SOFC se ampliará y muchos problemas actuales podrán ser solucionados potencialmente. Ciertas técnicas de procesamiento tales como la deposición de película delgada pueden ayudar a solucionar este problema con materiales actuales:[7]

  • Reduciendo la distancia que viajan los iones de oxígeno y la resistencia del electrólito ya que la resistencia es proporcional a la longitud del conductor;
  • Produciendo estructuras granulares menos resistivas como estructuras de grano en columna;
  • Controlando las microstructuras nano-cristalinas de grano fino para conseguir un "ajuste fino" de propiedades eléctricas;
  • La construcción de grandes áreas de interfase de composite como interfaces que han demostrado tener propiedades eléctricas extraordinarias.

Cátodo

El cátodo, o electrodo de aire, es una capa porosa delgada en el electrólito donde se produce la reducción de oxígeno. La reacción global está escrita en notación Kröger-Vink, como sigue:

 

Los materiales del cátodo tienen que ser, en un mínimo, electrónicamente conductores. Actualmente, la manganita de lantano y estroncio (LSM) es el material elegido para uso comercial debido a su compatibilidad con electrólitos de zirconio dopado. Mecánicamente, tiene un coeficiente de expansión térmica similar a YSZ y así limita el estréss debido a un desequilibrio CTE. También, LSM tiene bajos niveles de reactividad química con YSZ lo que alarga la vida de los materiales. Desafortunadamente, el LSM es un mal conductor iónico, y así la reacción electroquímica activa está limitada a la frontera de fase triple (TPB) dónde el electrólito, el aire y el electrodo se juntan. El LSM funciona bien como cátodo a altas temperaturas, pero su rendimiento decae rápido al reducir la temperatura por debajo de 800 °C. Para aumentar la zona de reacción más allá del TPB, un potencial material de cátodo tiene que ser capaz de conducir tanto electrones como iones de oxígeno. Los cátodos compuestos que constan de LSM YSZ se han usado para aumentar esta longitud de frontera de fase triple. La cerámica mixta iónica/electrónica conductora, como el perovskite LSCF, está siendo investigada para uso en SOFCs a temperatura intermedia, ya que es más activa y puede hacer aumentar la energía de activación de la reacción.

Interconexión

La interconexión puede ser una capa metálica o cerámica que se sitúa entre cada célula individual. Su propósito es conectar cada célula en serie, de modo que la electricidad que cada célula genera puede ser combinada. Como la interconexión está expuesta tanto a la oxidación como la reducción de la célula a temperaturas altas, esta debe ser extremadamente estable. Por esta razón, la cerámica ha sido más exitosa en el plazo largo que los metales. Aun así, estos materiales de interconexión cerámicos son muy caros comparados a los metales. Las aleaciones basadas en níquel y acero están siendo más prometedoras a temperaturas más bajas (600 °C–800 °C), en SOFCs en desarrollo. El material elegido para interconectar un contacto con Y8SZ es una aleación metálica 95Cr-5Fe. Los compuestos cerámico-metal llamados 'cermet' también están en consideración, al demostrar estabilidad térmica a altas temperaturas y una conductividad eléctrica excelente.

Polarizaciones

Las polarizaciones son pérdidas en voltaje debido a imperfecciones en los materiales, la microestructura y el diseño de la célula de combustible. Son el resultado de la resistencia óhmica de los iones de oxígeno que fluyen a través del electrólito (iRΩ), las barreras de activación electroquímica en el ánodo y cátodo, y finalmente las polarizaciones de concentración debido a la incapacidad de difusión de un caudal elevado de gases a través del ánodo y cátodo poroso (mostrado como ηUn para el ánodo y ηC para cátodo). El voltaje de la célula se puede calcular utilizando la ecuación siguiente:[8]

 

donde:

  •   = Potencial de Nernst de los reactantes
  •   = Valor de resistencia equivalente de Thévenin de las porciones eléctricamente conductoras de la célula
  •   = Pérdidas de polarización en el cátodo
  •   = Pérdidas de polarización en el ánodo

En SOFCs, a menudo es importante centrarse en las polarizaciones óhmicas y de concentración, ya que las temperaturas de funcionamiento elevadas experimentan una polarización de activación baja. Aun así, cuando el límite más bajo de la temperatura de funcionamiento está cerca de 600 °C, estas polarizaciones son importantes.[9]

La ecuación mencionada anteriormente se utiliza para determinar el voltaje teórico (de hecho para el voltaje de célula del combustible en general). Estos resultados se aproximan al dato experimental particular (para los cuales se obtuvieron factores adecuados) y una concordancia deficiente para otros parámetros de trabajo experimentales originales. Además, la mayoría de las ecuaciones utilizadas requieren añadir numerosos factores que son difíciles o imposibles de determinar. Hace muy difícil cualquier proceso de optimización de los parámetros de trabajo de la SOFC, así como la selección de la configuración de la arquitectura de diseño. Debido a estas circunstancias, se han propuesto otras ecuaciones, como la siguiente:[10]

 

donde:

  •   = Voltaje de la célula
  •   = El voltaje máximo dado por la ecuación de Nernst
  •   = Densidad actual máxima (para un flujo de combustible dado)
  •   = Factor de utilización del combustible[11]
  •   = Resistencia iónica específica del electrólito
  •   = Resistencia eléctrica específica del electrólito.

Este método se validó y se consideró aplicable para estudios de optimización y sensibilidad en el modelado a nivel de fabricación de varios sistemas con celdas de combustible de óxido sólido.[12]​ Con esta descripción matemática es posible considerar diferentes propiedades de la SOFC. Hay muchos parámetros que afectan las condiciones de trabajo de la pila, por ej. el material electrolítico, el espesor del electrolito, la temperatura de la celda, las composiciones de los gases de entrada y salida en el ánodo y el cátodo, y la porosidad del electrodo, solo por nombrar algunos. El flujo en estos sistemas se calcula utilizando las ecuaciones de Navier-Stokes.

Polarización óhmica

Las pérdidas óhmicas en una SOFC se deben a la conductividad iónica a través del electrólito. Esto es inherente a una propiedad de los materiales con estructura de cristal. Aun así, para maximizar la conductividad iónica, existen varios métodos. En primer lugar, el funcionamiento a altas temperaturas puede reducir significativamente estas pérdidas óhmicas. Los métodos de dopaje pueden refinar la estructura del cristal y controlar las concentraciones de defectos que pueden aumentar la conductividad. Otra manera de disminuir la resistencia óhmica es reducir el grosor de la capa de electrólito.

Conductividad iónica

La resistencia iónica del electrólito como función de la temperatura puede ser descrita por la relación siguiente:

 

Dónde:

  •   – Grosor de electrólito
  •   – Conductividad iónica.

La conductividad iónica del óxido sólido se define como sigue:

 

Dónde:

  •   y   – Factores dependientes de los materiales del electrolito
  •   – Temperatura del electrólito
  •   – Constante del gas ideal.

Polarización de concentración

La polarización de la concentración es el resultado de limitaciones prácticas en el transporte de masa dentro de la celda y representa la pérdida de voltaje debido a las variaciones espaciales en la concentración de reactivo en los sitios químicamente activos. Esta situación puede producirse cuando los reactivos son consumidos por la reacción electroquímica más rápido de lo que se pueden difundir en el electrodo poroso, y también puede ser causado por la variación en la composición del flujo de masa. Esto último se debe al hecho de que el consumo de especies que reaccionan en los flujos de reactivos provoca una disminución en la concentración de reactivos a medida que viaja a lo largo de la célula, lo que provoca una caída en el potencial local cerca del extremo de la célula.

La polarización de la concentración se produce tanto en el ánodo como en el cátodo. El ánodo puede ser particularmente problemático, ya que la oxidación del hidrógeno produce vapor, que diluye aún más la corriente de combustible a medida que se desplaza a lo largo de la celda. Esta polarización se puede mitigar reduciendo la fracción de utilización del reactivo o aumentando la porosidad del electrodo, pero cada uno de estos enfoques tiene importantes desventajas de diseño.

Polarización de activación

La polarización de activación es el resultado de la cinética involucrada en las reacciones electroquímicas. Cada reacción tiene una cierta barrera de activación que debe superarse para continuar y esta barrera conduce a la polarización. La barrera de activación es el resultado de muchos pasos complejos de reacción electroquímica, donde típicamente el paso limitante de la velocidad es responsable de la polarización. La ecuación de polarización que se muestra a continuación se obtiene resolviendo la ecuación de Butler-Volmer en el régimen de alta densidad de corriente (donde normalmente funciona la celda), y se puede usar para estimar la polarización de activación::

 

Dónde:

  •   = = Constante del gas
  •   = Temperatura de funcionamiento
  •   = Coeficiente de transferencia de electrones
  •   = Electrones asociados con la reacción electroquímica
  •   = La constante de Faraday
  •   = Corriente de funcionamiento
  •   = Densidad de corriente de intercambio

La polarización se puede modificar por optimización microestructural. La longitud del límite de fase triple (TPB), que es la longitud en la que se encuentran todas las vías de conducción porosa, iónica y electrónica, se relaciona directamente con la longitud electroquímicamente activa en la célula. Cuanto mayor es la longitud, más reacciones pueden ocurrir y, por lo tanto, menor es la polarización de activación. La optimización de la longitud de TPB se puede realizar mediante condiciones de procesamiento para afectar la microestructura o mediante la selección de materiales para usar un conductor mixto iónico / electrónico para aumentar aún más la longitud de TPB.

Objetivos

Los requisitos objetivo del DOE son 40,000 horas de servicio para aplicaciones de celdas de combustible estacionarias y más de 5,000 horas para sistemas de transporte (vehículos con celdas de combustible) a un coste de fabricación de $40/kW para un sistema basado en carbón de 10 kW sin requisitos adicionales.[13]​ Se deben considerar los efectos a largo plazo (estabilidad de fase, compatibilidad de expansión térmica, migración de elementos, conductividad y envejecimiento). El objetivo de la Alianza de Conversión de Energía de Estado Sólido 2008 (interino) para la degradación general por 1,000 horas es de 4.0%.[14]

Investigación

La investigación se dirige a conseguir SOFC con temperaturas más bajas (600 °C). Los sistemas de menor temperatura pueden reducir costes al reducir los costes de aislamiento, materiales, iniciación y degradación. Con temperaturas de funcionamiento más altas, el gradiente de temperatura aumenta la severidad de las tensiones térmicas, lo que afecta al coste de los materiales y la vida útil del sistema.[15]​ Un sistema de temperatura intermedia (650-800 °C) permitiría el uso de materiales metálicos más baratos con mejores propiedades mecánicas (Por ejemplo: logrando que el material mantenga la misma fase a pesar del aumento de temperatura) y conductividad térmica. Se ha demostrado que los nuevos desarrollos en estructuras de electrolitos a escala nanométrica reducen la temperatura de funcionamiento a unos 350 °C, lo que permitiría el uso de componentes de acero y elastómeros/polímeros aún más baratos.[16]


La investigación también apunta a reducir los tiempos de inicio para implementar SOFC en aplicaciones de movilidad.[17]​ Esto se puede lograr parcialmente reduciendo las temperaturas de funcionamiento, como es el caso de las células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC).[18]​ Debido a su flexibilidad con respecto a los combustibles utilizados, es probable que trabajen con gasóleo parcialmente transformado, lo que los convierte en unidades auxiliares potenciales para ciertas aplicaciones (camiones refrigerados).

Algunas grandes empresas desarrollan SOFC como unidades auxiliares en automóviles. Las SOFC de alta temperatura generarán la electricidad necesaria para que un motor sea más pequeño y más eficiente. Las SOFC funcionan con el mismo gasóleo o gasolina que el motor asistido, y mantendrán el aire acondicionado y otros sistemas eléctricos necesarios en funcionamiento cuando el motor no esté funcionando (por ejemplo, en los semáforos). Otros producen SOFC con serigrafía con impresión 3D,[19]​ en materiales cerámicos de bajo costo o turbinas de gas híbridas que consumen gas natural para aplicaciones de generación de energía de hasta megavatios.

Algunas industrias están desarrollando una SOFC de baja temperatura y bajo costo (500-600 °C) que utiliza óxido de cerio y gadolinio para reemplazar la cerámica industrial estándar actual (zirconio estabilizada con itrio), que permite el uso de acero inoxidable para soportar la cerámica.[20]

Investigadores del laboratorio de "Ciencias químicas de Rennes", en colaboración con un equipo del Instituto Laue-Langevin en Grenoble y la Universidad de Kioto en Japón, han desarrollado un nuevo óxido que abre el camino de baterías más eficientes.[21]​ El nuevo compuesto es un óxido que consiste en hierro y estroncio, de la fórmula química SrFeO2. Su enorme ventaja es precisamente poder reaccionar con estos mismos iones de oxígeno a 280 °C. Con el tiempo se esperan conseguir baterías más robustas, que necesiten menos calor para funcionar.

Véase también

Referencias

  1. Badwal, SPS. . Journal of the Australian Ceramics society 50 (1). Archivado desde el original el 29 de noviembre de 2014. 
  2. «Design and fabrication of a 100 W anode supported micro-tubular SOFC stack». Journal of Power Sources 145: 428-434. 2005. doi:10.1016/j.jpowsour.2005.01.079. 
  3. «Micro-tubular solid oxide fuel cell based on a porous yttria-stabilized zirconia support». Scientific Reports 4: 5754. 2014. doi:10.1038/srep05754. 
  4. «Hydrogen Oxidation Mechanisms on Perovskite Solid Oxide Fuel Cell Anodes». jes.ecsdl.org/. Journal of the Electrochemical Society. Consultado el 8 de noviembre de 2016. 
  5. «Fuel Cell Technologies: State and Perspectives». NATO Science Series, Mathematics, Physics and Chemistry 202: 19-34. 2005. doi:10.1007/1-4020-3498-9_3. 
  6. Alvarado-Flores and Avalos-Rodríguez (2013). «Materiales para ánodos, cátodos y electrolitos utilizados en celdas de combustible de óxido sólido (SOFC)». Revista Mexicana de Física (59 ENERO–FEBRERO). 
  7. Charpentier, P (2000). «Preparation of thin film SOFCs working at reduced temperature». Solid State Ionics 135 (1–4): 373-380. ISSN 0167-2738. PMID 11713541. doi:10.1016/S0167-2738(00)00472-0. 
  8. Mücke, Robert (2011). «Introduction to SOFC Technologies Fundamentals of Electro-Chemistry, Electrochemical Kinetics & Solid State Chemistry». Joint European Summer School for Fuel Cell and Hydrogen Technology (Viterbo, Italy): 1-15. Consultado el 27 de enero de 2019. 
  9. «Nonlinear modeling of a SOFC stack based on a least squares support vector machine». Journal of Power Sources 162 (2): 1220-1225. 2006. doi:10.1016/j.jpowsour.2006.07.031. 
  10. Milewski, Miller, Jaroslaw, Andrzej (2006). «Influences of The Type and Thickness of Electrolyte on Solid Oxide Fuel Cell Hybrid System Performance». Journal of Fuel Cell Science and Technology (Warsaw, Poland) 3 (4): 396-402. doi:10.1115/1.2349519. Consultado el 6 de septiembre de 2009. 
  11. «Experimental evaluation of the sensitivity to fuel utilization and air management on a 100 kW SOFC system». Journal of Power Sources 171 (2): 155-168. 2007. doi:10.1016/j.jpowsour.2006.12.032. 
  12. Kupecki J.; Milewski J.; Jewulski J. (2013). «Investigation of SOFC material properties for plant-level modeling». Central European Journal of Chemistry 11 (5): 664-671. doi:10.2478/s11532-013-0211-x. 
  13. «SECA Coal-Based Systems – LGFCS». www.osti.gov/. Consultado el 19 de febrero de 2019. 
  14. «Fuel Cell Stacks Still Going Strong After 5,000 Hours». www.energy.gov. Consultado el 27 de noviembre de 2011. 
  15. Ishihara, Tatsumi (2009). Perovskite Oxide for Solid Oxide Fuel Cells. Springer. pp. 19. ISBN 978-0-387-77708-5. 
  16. Wachsman, Eric; Lee, Kang (18 de noviembre de 2011). «Lowering the Temperature of Solid Oxide Fuel Cells». Science 334 (6058): 935. doi:10.1126/science.1204090. 
  17. Spivey, B. (2012). «Dynamic modeling, simulation, and MIMO predictive control of a tubular solid oxide fuel cell». Journal of Process Control 22: 1502-1520. doi:10.1016/j.jprocont.2012.01.015. 
  18. «Fuel Cell Types and Factors Affecting Them». http://www.ijser.in (en inglés). agosto de 2014. Consultado el 22 de marzo de 2019. 
  19. «Northwestern group invent inks to make SOFCs by 3D printing». www.sciencedirect.com (en inglés). enero de 2015. Consultado el 22 de marzo de 2019. 
  20. «Progress in Metal-Supported Solid Oxide Fuel Cells». core.ac.uk (en inglés). 1 de marzo de 2011. Consultado el 22 de marzo de 2019. 
  21. «Des équipes de chercheurs français et japonais mettent au point un oxyde de fer et de strontium qui permet aux piles à combustible dites à oxyde solide de fonctionner dès 300 °C au lieu de 1 000 °C». www.industrie-techno.com (en francés). 7 de mayo de 2008. Consultado el 22 de marzo de 2019. 

Enlaces externos

  •   Datos: Q899633

pila, combustible, óxido, sólido, pila, combustible, óxido, sólido, sofc, solid, oxide, fuel, cell, dispositivo, conversión, electroquímico, produce, electricidad, directamente, oxidar, combustible, pilas, combustible, están, caracterizadas, material, electról. Una pila de combustible de oxido solido o SOFC solid oxide fuel cell es un dispositivo de conversion electroquimico que produce electricidad directamente de oxidar un combustible Las pilas de combustible estan caracterizadas por el material del electrolito el SOFC tiene un oxido solido o electrolito ceramico Esquema de una pila de combustible de oxido solido Las ventajas de esta clase de pilas de combustible son la alta eficacia estabilidad a largo plazo flexibilidad de combustible emisiones bajas y relativo bajo coste La desventaja mas grande es la alta temperatura operativa que requiere tiempos de inicio mas prolongados y posibles problemas de compatibilidad mecanica y quimica 1 Indice 1 Introduccion 2 Geometria 3 Funcionamiento 3 1 Anodo 3 2 Electrolito 3 3 Catodo 3 4 Interconexion 4 Polarizaciones 4 1 Polarizacion ohmica 4 1 1 Conductividad ionica 4 2 Polarizacion de concentracion 4 3 Polarizacion de activacion 5 Objetivos 6 Investigacion 7 Vease tambien 8 Referencias 9 Enlaces externosIntroduccion EditarLas pilas de combustible de oxido solido son una clase de celulas de combustible que se caracterizan por el uso de un material de oxido solido como electrolito Las SOFC utilizan un electrolito de oxido solido para conducir iones de oxigeno negativo del catodo al anodo La oxidacion electroquimica de los iones de oxigeno con hidrogeno o monoxido de carbono asi ocurre en el lado del anodo Mas recientemente se estan desarrollando las SOFCs de conduccion de protones PC SOFC que transportan protones en vez de iones de oxigeno a traves del electrolito con la ventaja de ser capaces de funcionar a temperaturas mas bajas que las SOFCs tradicionales Operan a temperaturas muy altas tipicamente entre 500 y 1 000 C En estas temperaturas las SOFCs no necesitan material catalizador de platino que es caro que actualmente es necesario para celulas de combustible de temperatura inferior como PEMFCs y no es vulnerable al toxico monoxido de carbono Aun asi la vulnerabilidad a envenenamiento por azufre ha sido ampliamente observado y el azufre tiene que ser eliminado antes de la puesta en produccion Las pilas de combustible de oxido solido tienen una gran variedad de aplicaciones de utilizar como unidades de potencia auxiliar en vehiculos a unidades de generacion estacionarias con potencias de 100 W a 2 MW La temperatura operativa mas alta de las SOFCs las hace candidatos adecuados para aplicaciones de recuperacion de energia con dispositivos de motor de calor o dispositivos combinados de potencia y calor que aumenta el rendimiento global del combustible Debido a las altas temperaturas los combustibles de hidrocarburo ligero como metano propano y butano pueden ser internamente reformado dentro del anodo SOFCs Tambien puede ser alimentados por hidrocarburos mas pesados como gasolina diesel combustible de jet JP 8 o biocombustibles Tales transformados son mezclas de hidrogeno monoxido de carbono dioxido de carbono vapor y metano formados para reaccionar los combustibles de hidrocarburo con aire o vapor en un dispositivo upstream del anodo Los sistemas SOFC de potencia pueden aumentar el rendimiento al utilizar el calor emitido para la oxidacion electroquimica exotermica dentro de la pila de combustible para el vapor endotermico que transforma el proceso Ademas los combustibles solidos como carbon y biomasa pueden ser gasificados para formar Gas de sintesis que es adecuado para alimentar SOFCs en pila de combustible de ciclos de potencia por gasificacion integrada La expansion termica requiere un proceso de calentamiento uniforme y bien regulado al inicio Los stacks SOFC con geometria planar requieren del orden de una hora para ser calentadas a temperatura de encendido 2 3 Geometria Editar SOFC tubular A diferencia de la mayoria de otros tipos de pilas de combustible las SOFCs puede tener geometrias multiples El diseno de geometria planar es la geometria de tipo de emparedado tipica empleado por mas tipos de celulas de combustible donde el electrolito esta empaquetado entre los electrodos Las SOFCs tambien pueden estar hechas con geometrias tubulares donde cualquier aire o el combustible se pasa a traves del interior del tubo y el otro gas circula a lo largo del exterior del tubo El diseno tubular es ventajoso porque es mucho mas facil de sellar el aire respecto del combustible El rendimiento del diseno planar es actualmente mejor que el rendimiento del diseno tubular aun asi el diseno planar tiene una resistencia mas baja comparativamente Otras geometrias de SOFCs incluyen disenos de geometria planar modificada MPC o MPSOFC donde una estructura de tipo onda reemplaza la configuracion plana tradicional de la celula planar Tales disenos altamente son prometedores porque comparten las ventajas de ambos celulas planares resistencia baja y celulas tubulares Funcionamiento Editar Seccion transversal de tres capas ceramicas de una SOFC tubular Del interior al exterior catodo poroso electrolito denso anodo poroso Una pila de combustible de oxido solido se compone de cuatro capas tres de las cuales son ceramicas de ahi el nombre Una sola pila que consiste en cuatro capas apiladas juntas es tipicamente de unos pocos milimetros de espesor Cientos de estas pilas o celdas se conectan en serie para formar lo que la mayoria de la gente denomina pila de SOFC Las ceramicas utilizadas en las SOFC no se vuelven electricamente e ionicamente activas hasta que alcanzan una temperatura muy alta y como consecuencia las pilas deben funcionar a temperaturas que oscilan entre 500 y 1 000 C La reduccion de oxigeno en iones de oxigeno se produce en el catodo Estos iones pueden luego difundirse a traves del electrolito de oxido solido hasta el anodo donde pueden oxidar electroquimicamente el combustible En esta reaccion se emite un subproducto del agua y dos electrones Estos electrones luego fluyen a traves de un circuito externo donde pueden trabajar El ciclo se repite a medida que esos electrones ingresan nuevamente en el material del catodo Anodo Editar La capa de anodo ceramica tiene que ser muy porosa para dejar fluir el combustible hacia el electrolito De este modo el material granular es utilizado a menudo para la fabricacion de anodos Y como el catodo debe conducir electrones la conductividad ionica es una ventaja definitiva El material mas comun es el cermet mezcla de niquel y material ceramico utilizado para el electrolito tipicamente YSZ zirconio estabilizado con itrio catalizador basado en nanomaterial Este elemento YSZ ayuda a parar el crecimiento de granos de niquel Los granulos mas grandes de niquel reducirian el area de contacto para que los iones puedan ser conducidos lo que reduciria la eficiencia de las pilas El anodo es generalmente la capa mas gruesa y mas fuerte en cada celula individual porque tiene las perdidas de polarizacion mas pequenas y a menudo es la capa que proporciona el soporte mecanico Electroquimicamente hablando el trabajo del anodo es utilizar los iones de oxigeno que se difunden a traves del electrolito para oxidar el combustible de hidrogeno La reaccion de oxidacion entre los iones de oxigeno y el hidrogeno produce calor agua y electricidad Si el combustible es un hidrocarburo ligero por ejemplo metano otra funcion del anodo es actuar como catalizador para el vapor que transforma el combustible en hidrogeno Esto proporciona otro beneficio operacional a la pila de combustible porque la reaccion transformadora es endotermica lo que enfria la pila internamente Los materiales con perovskita mezcla de iones ceramica electronica conductora han demostrado producir una densidad de potencia de 0 6 W cm2 a 0 7 V y 800 C lo cual es posible porque tienen la capacidad de vencer una energia de activacion mas grande 4 Electrolito Editar El electrolito es una densa capa de ceramica que conduce iones de oxigeno Su conductividad electronica tiene que ser mantenida tan baja como sea posible para impedir perdidas por corrientes indeseadas Las altas temperaturas operativas de las SOFCs permiten que la cinetica del transporte de ion de oxigeno sea suficiente para un buen rendimiento Aun asi cuando la temperatura operativa se acerca el limite mas bajo alrededor 600 C el electrolito empieza para tener resistencias de transporte ionicas grandes y afecta el rendimiento Materiales populares para el electrolito incluyen el zirconio estabilizado con itrio YSZ a menudo al 8 forma 8YSZ zirconio estabilizado con scandio ScSZ normalmente 9 mol Sc2O3 9ScSZ y el cerio dopado con gadolinio GDC 5 El material de electrolito tiene una influencia crucial en los rendimientos de la celula 6 Se han observado reacciones perjudiciales entre electrolitos YSZ y catodos modernos como cobaltoferrita de lantano y estroncio LSCF que se pueden impedir con barreras de difusion de cerio delgado lt 100 nm Si la conductividad para iones de oxigeno en SOFC puede permanecer alta incluso en temperaturas mas bajas objetivo actual buscado 500 C la eleccion de materiales para SOFC se ampliara y muchos problemas actuales podran ser solucionados potencialmente Ciertas tecnicas de procesamiento tales como la deposicion de pelicula delgada pueden ayudar a solucionar este problema con materiales actuales 7 Reduciendo la distancia que viajan los iones de oxigeno y la resistencia del electrolito ya que la resistencia es proporcional a la longitud del conductor Produciendo estructuras granulares menos resistivas como estructuras de grano en columna Controlando las microstructuras nano cristalinas de grano fino para conseguir un ajuste fino de propiedades electricas La construccion de grandes areas de interfase de composite como interfaces que han demostrado tener propiedades electricas extraordinarias Catodo Editar El catodo o electrodo de aire es una capa porosa delgada en el electrolito donde se produce la reduccion de oxigeno La reaccion global esta escrita en notacion Kroger Vink como sigue 1 2 O 2 g 2 e V o O o displaystyle frac 1 2 mathrm O 2 g 2 mathrm e V o bullet bullet longrightarrow O o times Los materiales del catodo tienen que ser en un minimo electronicamente conductores Actualmente la manganita de lantano y estroncio LSM es el material elegido para uso comercial debido a su compatibilidad con electrolitos de zirconio dopado Mecanicamente tiene un coeficiente de expansion termica similar a YSZ y asi limita el estress debido a un desequilibrio CTE Tambien LSM tiene bajos niveles de reactividad quimica con YSZ lo que alarga la vida de los materiales Desafortunadamente el LSM es un mal conductor ionico y asi la reaccion electroquimica activa esta limitada a la frontera de fase triple TPB donde el electrolito el aire y el electrodo se juntan El LSM funciona bien como catodo a altas temperaturas pero su rendimiento decae rapido al reducir la temperatura por debajo de 800 C Para aumentar la zona de reaccion mas alla del TPB un potencial material de catodo tiene que ser capaz de conducir tanto electrones como iones de oxigeno Los catodos compuestos que constan de LSM YSZ se han usado para aumentar esta longitud de frontera de fase triple La ceramica mixta ionica electronica conductora como el perovskite LSCF esta siendo investigada para uso en SOFCs a temperatura intermedia ya que es mas activa y puede hacer aumentar la energia de activacion de la reaccion Interconexion Editar La interconexion puede ser una capa metalica o ceramica que se situa entre cada celula individual Su proposito es conectar cada celula en serie de modo que la electricidad que cada celula genera puede ser combinada Como la interconexion esta expuesta tanto a la oxidacion como la reduccion de la celula a temperaturas altas esta debe ser extremadamente estable Por esta razon la ceramica ha sido mas exitosa en el plazo largo que los metales Aun asi estos materiales de interconexion ceramicos son muy caros comparados a los metales Las aleaciones basadas en niquel y acero estan siendo mas prometedoras a temperaturas mas bajas 600 C 800 C en SOFCs en desarrollo El material elegido para interconectar un contacto con Y8SZ es una aleacion metalica 95Cr 5Fe Los compuestos ceramico metal llamados cermet tambien estan en consideracion al demostrar estabilidad termica a altas temperaturas y una conductividad electrica excelente Polarizaciones EditarLas polarizaciones son perdidas en voltaje debido a imperfecciones en los materiales la microestructura y el diseno de la celula de combustible Son el resultado de la resistencia ohmica de los iones de oxigeno que fluyen a traves del electrolito iRW las barreras de activacion electroquimica en el anodo y catodo y finalmente las polarizaciones de concentracion debido a la incapacidad de difusion de un caudal elevado de gases a traves del anodo y catodo poroso mostrado como hUn para el anodo y hC para catodo El voltaje de la celula se puede calcular utilizando la ecuacion siguiente 8 V E 0 i R w h c a t o d o h a n o d o displaystyle V E 0 iR omega eta catodo eta anodo donde E 0 displaystyle E 0 Potencial de Nernst de los reactantes R displaystyle R Valor de resistencia equivalente de Thevenin de las porciones electricamente conductoras de la celulah c a t o d o displaystyle eta catodo Perdidas de polarizacion en el catodo h a n o d o displaystyle eta anodo Perdidas de polarizacion en el anodoEn SOFCs a menudo es importante centrarse en las polarizaciones ohmicas y de concentracion ya que las temperaturas de funcionamiento elevadas experimentan una polarizacion de activacion baja Aun asi cuando el limite mas bajo de la temperatura de funcionamiento esta cerca de 600 C estas polarizaciones son importantes 9 La ecuacion mencionada anteriormente se utiliza para determinar el voltaje teorico de hecho para el voltaje de celula del combustible en general Estos resultados se aproximan al dato experimental particular para los cuales se obtuvieron factores adecuados y una concordancia deficiente para otros parametros de trabajo experimentales originales Ademas la mayoria de las ecuaciones utilizadas requieren anadir numerosos factores que son dificiles o imposibles de determinar Hace muy dificil cualquier proceso de optimizacion de los parametros de trabajo de la SOFC asi como la seleccion de la configuracion de la arquitectura de diseno Debido a estas circunstancias se han propuesto otras ecuaciones como la siguiente 10 E S O F C E m a x i m a x h f r 1 r 1 r 2 1 h f 1 displaystyle E SOFC frac E max i max cdot eta f cdot r 1 frac r 1 r 2 cdot left 1 eta f right 1 donde E S O F C displaystyle E SOFC Voltaje de la celula E m a x displaystyle E max El voltaje maximo dado por la ecuacion de Nernst i m a x displaystyle i max Densidad actual maxima para un flujo de combustible dado h f displaystyle eta f Factor de utilizacion del combustible 11 r 1 displaystyle r 1 Resistencia ionica especifica del electrolito r 2 displaystyle r 2 Resistencia electrica especifica del electrolito Este metodo se valido y se considero aplicable para estudios de optimizacion y sensibilidad en el modelado a nivel de fabricacion de varios sistemas con celdas de combustible de oxido solido 12 Con esta descripcion matematica es posible considerar diferentes propiedades de la SOFC Hay muchos parametros que afectan las condiciones de trabajo de la pila por ej el material electrolitico el espesor del electrolito la temperatura de la celda las composiciones de los gases de entrada y salida en el anodo y el catodo y la porosidad del electrodo solo por nombrar algunos El flujo en estos sistemas se calcula utilizando las ecuaciones de Navier Stokes Polarizacion ohmica Editar Las perdidas ohmicas en una SOFC se deben a la conductividad ionica a traves del electrolito Esto es inherente a una propiedad de los materiales con estructura de cristal Aun asi para maximizar la conductividad ionica existen varios metodos En primer lugar el funcionamiento a altas temperaturas puede reducir significativamente estas perdidas ohmicas Los metodos de dopaje pueden refinar la estructura del cristal y controlar las concentraciones de defectos que pueden aumentar la conductividad Otra manera de disminuir la resistencia ohmica es reducir el grosor de la capa de electrolito Conductividad ionica Editar La resistencia ionica del electrolito como funcion de la temperatura puede ser descrita por la relacion siguiente r 1 d s displaystyle r 1 frac delta sigma Donde d displaystyle delta Grosor de electrolito s displaystyle sigma Conductividad ionica La conductividad ionica del oxido solido se define como sigue s s 0 e E R T displaystyle sigma sigma 0 cdot e frac E R cdot T Donde s 0 displaystyle sigma 0 y E displaystyle E Factores dependientes de los materiales del electrolito T displaystyle T Temperatura del electrolito R displaystyle R Constante del gas ideal Polarizacion de concentracion Editar La polarizacion de la concentracion es el resultado de limitaciones practicas en el transporte de masa dentro de la celda y representa la perdida de voltaje debido a las variaciones espaciales en la concentracion de reactivo en los sitios quimicamente activos Esta situacion puede producirse cuando los reactivos son consumidos por la reaccion electroquimica mas rapido de lo que se pueden difundir en el electrodo poroso y tambien puede ser causado por la variacion en la composicion del flujo de masa Esto ultimo se debe al hecho de que el consumo de especies que reaccionan en los flujos de reactivos provoca una disminucion en la concentracion de reactivos a medida que viaja a lo largo de la celula lo que provoca una caida en el potencial local cerca del extremo de la celula La polarizacion de la concentracion se produce tanto en el anodo como en el catodo El anodo puede ser particularmente problematico ya que la oxidacion del hidrogeno produce vapor que diluye aun mas la corriente de combustible a medida que se desplaza a lo largo de la celda Esta polarizacion se puede mitigar reduciendo la fraccion de utilizacion del reactivo o aumentando la porosidad del electrodo pero cada uno de estos enfoques tiene importantes desventajas de diseno Polarizacion de activacion Editar La polarizacion de activacion es el resultado de la cinetica involucrada en las reacciones electroquimicas Cada reaccion tiene una cierta barrera de activacion que debe superarse para continuar y esta barrera conduce a la polarizacion La barrera de activacion es el resultado de muchos pasos complejos de reaccion electroquimica donde tipicamente el paso limitante de la velocidad es responsable de la polarizacion La ecuacion de polarizacion que se muestra a continuacion se obtiene resolviendo la ecuacion de Butler Volmer en el regimen de alta densidad de corriente donde normalmente funciona la celda y se puede usar para estimar la polarizacion de activacion h a c t R T b z F l n i i 0 displaystyle eta act frac RT beta zF times ln left frac i i 0 right Donde R displaystyle R Constante del gas T 0 displaystyle T 0 Temperatura de funcionamiento b displaystyle beta Coeficiente de transferencia de electrones z displaystyle z Electrones asociados con la reaccion electroquimica F displaystyle F La constante de Faraday i displaystyle i Corriente de funcionamiento i 0 displaystyle i 0 Densidad de corriente de intercambioLa polarizacion se puede modificar por optimizacion microestructural La longitud del limite de fase triple TPB que es la longitud en la que se encuentran todas las vias de conduccion porosa ionica y electronica se relaciona directamente con la longitud electroquimicamente activa en la celula Cuanto mayor es la longitud mas reacciones pueden ocurrir y por lo tanto menor es la polarizacion de activacion La optimizacion de la longitud de TPB se puede realizar mediante condiciones de procesamiento para afectar la microestructura o mediante la seleccion de materiales para usar un conductor mixto ionico electronico para aumentar aun mas la longitud de TPB Objetivos EditarLos requisitos objetivo del DOE son 40 000 horas de servicio para aplicaciones de celdas de combustible estacionarias y mas de 5 000 horas para sistemas de transporte vehiculos con celdas de combustible a un coste de fabricacion de 40 kW para un sistema basado en carbon de 10 kW sin requisitos adicionales 13 Se deben considerar los efectos a largo plazo estabilidad de fase compatibilidad de expansion termica migracion de elementos conductividad y envejecimiento El objetivo de la Alianza de Conversion de Energia de Estado Solido 2008 interino para la degradacion general por 1 000 horas es de 4 0 14 Investigacion EditarLa investigacion se dirige a conseguir SOFC con temperaturas mas bajas 600 C Los sistemas de menor temperatura pueden reducir costes al reducir los costes de aislamiento materiales iniciacion y degradacion Con temperaturas de funcionamiento mas altas el gradiente de temperatura aumenta la severidad de las tensiones termicas lo que afecta al coste de los materiales y la vida util del sistema 15 Un sistema de temperatura intermedia 650 800 C permitiria el uso de materiales metalicos mas baratos con mejores propiedades mecanicas Por ejemplo logrando que el material mantenga la misma fase a pesar del aumento de temperatura y conductividad termica Se ha demostrado que los nuevos desarrollos en estructuras de electrolitos a escala nanometrica reducen la temperatura de funcionamiento a unos 350 C lo que permitiria el uso de componentes de acero y elastomeros polimeros aun mas baratos 16 La investigacion tambien apunta a reducir los tiempos de inicio para implementar SOFC en aplicaciones de movilidad 17 Esto se puede lograr parcialmente reduciendo las temperaturas de funcionamiento como es el caso de las celulas de combustible de membrana de intercambio de protones PEMFC 18 Debido a su flexibilidad con respecto a los combustibles utilizados es probable que trabajen con gasoleo parcialmente transformado lo que los convierte en unidades auxiliares potenciales para ciertas aplicaciones camiones refrigerados Algunas grandes empresas desarrollan SOFC como unidades auxiliares en automoviles Las SOFC de alta temperatura generaran la electricidad necesaria para que un motor sea mas pequeno y mas eficiente Las SOFC funcionan con el mismo gasoleo o gasolina que el motor asistido y mantendran el aire acondicionado y otros sistemas electricos necesarios en funcionamiento cuando el motor no este funcionando por ejemplo en los semaforos Otros producen SOFC con serigrafia con impresion 3D 19 en materiales ceramicos de bajo costo o turbinas de gas hibridas que consumen gas natural para aplicaciones de generacion de energia de hasta megavatios Algunas industrias estan desarrollando una SOFC de baja temperatura y bajo costo 500 600 C que utiliza oxido de cerio y gadolinio para reemplazar la ceramica industrial estandar actual zirconio estabilizada con itrio que permite el uso de acero inoxidable para soportar la ceramica 20 Investigadores del laboratorio de Ciencias quimicas de Rennes en colaboracion con un equipo del Instituto Laue Langevin en Grenoble y la Universidad de Kioto en Japon han desarrollado un nuevo oxido que abre el camino de baterias mas eficientes 21 El nuevo compuesto es un oxido que consiste en hierro y estroncio de la formula quimica SrFeO2 Su enorme ventaja es precisamente poder reaccionar con estos mismos iones de oxigeno a 280 C Con el tiempo se esperan conseguir baterias mas robustas que necesiten menos calor para funcionar Vease tambien EditarUnidad auxiliar de potencia Tecnologias de hidrogeno MicrocogeneracionReferencias Editar Badwal SPS Review of Progress in High Temperature Solid Oxide Fuel Cells Journal of the Australian Ceramics society 50 1 Archivado desde el original el 29 de noviembre de 2014 Design and fabrication of a 100 W anode supported micro tubular SOFC stack Journal of Power Sources 145 428 434 2005 doi 10 1016 j jpowsour 2005 01 079 Micro tubular solid oxide fuel cell based on a porous yttria stabilized zirconia support Scientific Reports 4 5754 2014 doi 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2008 Consultado el 22 de marzo de 2019 Enlaces externos EditarEsta obra contiene una traduccion derivada de Solid oxide fuel cell de Wikipedia en ingles concretamente de esta version publicada por sus editores bajo la Licencia de documentacion libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribucion CompartirIgual 3 0 Unported Datos Q899633 Obtenido de https es wikipedia org w index php title Pila de combustible de oxido solido amp oldid 141544145, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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